大型交通浮桥设计和分析内容

2020-04-13 14:16:51 華狮自媒体 WAHLION MEDIA 262

由于浮桥仅是桥梁的一种特殊形式,所以浮桥的设计也应该遵循通用桥梁的一般设计原则,但也需要提出一些针对浮桥的具体标准。日本防腐蚀工程学会JSCE(是The Japan Society of Corrosion Engineering的英文缩写)基于性能设计格式已经出版了设计指导书。

       表4是根据指导书概括出主要设计程序。        

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一、浮桥设计基本方案考虑要点

路况:

         路况的细节,如分类、设计速度、宽度、净空界限、车道等应按道路组织规划图来设计。

性能:

        浮桥最终性能应由在自然载荷作用下,如风、水波、流速、车辆交通等,浮桥的动力学响应特征来判断。

浮桥结构:

        对于浮桥结构设计,应该考虑桥体结构,支撑结构,如在高潮汐、低潮汐时或在最大流速情况时水位变化和浮桥结构的运动情况。

浮桥图纸:

        桥的设计图,如浮桥位置和类型,应遵循治理该水域的一些原则。设计图还应包括日常维护和管理要求,以确保浮桥高性能运转,同时还应有耐用结构、检查和管理设施说明书。

环境:

        在浮桥设计过程中,通过充分观测和研究现场水位来合理地确定河床的高度。

重视桥周围的环境因素,这些因素包括黄河水深度,潮汐变化,流速,风速,风向,水波,渗盐情况,地基条件,浮流物,动物和植物。

浮桥的位置和类型设计应考虑区域规划,包括在自然灾难条件下的疏散路线等。如果需要设置航道通过浮桥段,需考虑航道的宽度,余隙,深度等条件。

浮桥在现场环境的建筑因素也要研究,以尽可能降低其影响。这些因素包括水的流速,动植物及其他环境因素。

二、浮桥基本设计原理

遵循的原则:性能目标与用途,安全,耐用性,质量,易于维修和管理,与环境相和谐,经济性等指标相一致。

选择结构类型:应考虑地形,地质和地理等条件.

浮桥结构数量和全局系统都要满足强度,变形和稳定性等指标要求。

浮桥的使用寿命对环境条件和自然载荷(如风,水波,水流,潮汐变化,湖面次波动)和腐蚀等因素非常敏感。在低循环成本条件下,浮桥的使用寿命一般期望是75-100年。

按照重要性分类,浮桥分为标准型和特别重要型,也即A型浮桥和B型浮桥。表5根据其重要型分别进行了分类。

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6 给出了浮桥状态性能等级分类。状态性能水平为0主要是与其他性能水平1-3相比而言的。针对交通负载,暴风浪,海啸和地震等,浮桥被设计成几种性能级别。

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根据重要性系数,浮桥设计时应保证具有表7所列出的对应目标性能水平,如负载载荷、暴风浪、海啸及地震等。

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三、浮桥设计载荷

1. 设计载荷

       主要包括:静载荷,动载荷,冲击载荷(例如碰撞等),土压力(如锚泊系统里锚桩对浮桥的作用力),流体静压力(包括浮力),风载荷,水波因素(包括膨胀因素),地震因素(包括流体动压力),温度变化因素,水流因素,潮汐变化因素,基础变形因素,支座运动因素,雪载荷,离心荷载,海啸因素,暴风潮因素,湖面波动(次波动),船激波,海震,制动载荷,装配载荷,碰撞载荷(包括船舶碰撞),浮冰因素和浮冰压力,沿岸运输因素,漂移物体因素,水体等级因素(侵蚀和摩擦)和其他载荷。

        表8将这些载荷分为主要载荷P,次要载荷S,等价于主要载荷的特殊载荷PP,还有等价于次要载荷的特殊载荷PA。这些载荷中有些也许不是很重要,但主要设计载荷应包括载荷1,2,6,7,8,11,12,16,17,22和23。

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2. 浮力、水波、风及重现周期

浮桥设计过程中,潮汐、海啸、风暴潮等引起的水位变化是控制载荷之一。设计中应考虑风向垂直浮桥轴线情况。风吹过水面时,产生的波浪会对浮桥产生水平方向,竖直方向和扭转载荷。这些载荷取决于风速,风向,持续时间,吹程(风区长度),水道构造和水深。

设计风速是指水面上空10m高度处10分钟时间内的平均速度。对于风和地震等自然载荷在许多情况下就成为关键因素。

        在讨论自然载荷的频率时,常使用重现周期这个概念。主导自然载荷(如风速等)的非超过数概率PN可由重现周期和期望使用寿命 来得到:

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在许多情况下,Q或T 一般假设取为0.5-1。这样,由方程1可知,非超过数概率,也就是设计载荷不出现在使用寿命期间的概率,预计为60%或略低于40%。由于100%的概率对应于事件不可避免地出现,所以从风险管理角度出发,大约50%的概率看上去比较合理。而0概率对应的是为永远不出现的事件投资额外或浪费的钱。以可靠统计记录看出和考虑到危机事件(通常假设100年一次),50年的使用寿命是合理的。

Yumemai浮桥就是这种情形。另外,就建在日本的钢桥而言,平均寿命寿命是30年,然后经过尽可能修复可再使用30年。因此,钢桥总的设计寿命大约为60年。

为了安全,桥上交通应根据风速进行控制。如遇上20年一遇的风暴天气,为了安全和公众舒适度通常需考虑是否关闭交通。这个值应根据浮桥的特性、附近的设施和地区灾难保护计划等因素来确定。例如,风速为20m/s时,规章就要求上报。

3. 不规则水波

通常情况下水波是非常不规则的。它们是由许多种频率成分的规则水波组成。

由于浮桥的固有周期远大于传统桥,因此含有长周期的水波作用影响较大. 就频率而言,波谱代表了水波能量分布。当风从一定水平距离吹过来时,水波不断传播。但经过一定时间后,水波停止逐步增强而变得稳定。

4. 组合式载荷

       组合式载荷会对浮桥产生不利的效应,如表9所示,所使用符号如表8中。

       潮汐等级被分为以下几类:

       地震期间: 在H.W.L.(high water level)和L.W.L.(low water level)之间;

       暴风雪期间:在H.H.W.L.(highest H.W.L.)和L.W.L.之间或者在H.H.W.L.和L.L.W.L.(lowest L.W.L.)之间;

       使用条件:在H.W.L.和L.W.L.之间;

       因此,在海啸期间,不论在H.W.L.和L.W.L.之间的极端潮汐变化还是升高和降低水位,不会出现致命损害。

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其中,S1表示在正常工况下的次要载荷,有图片关键词;S2表示在极端工况下的次要载荷,  图片关键词;PA表示特殊载荷。

四、浮桥材质

常用材质有钢材和混凝土。

一般来说,首先要考虑浮桥结构的腐蚀问题。由于混凝土的水密性很重要,所以制造浮桥一般选用水密混凝土或海上混凝土。其中中等熔次的波特兰水泥,波特兰鼓风炉熔渣水泥,波特兰飞尘水泥都可用于制造浮桥。仅当浮箱干燥时,需考虑结构的蠕动和收缩效应,因此,一旦浮箱下水就不用考虑上述效应。飞尘和硅石粉等高性能混凝土最适合用来制造浮箱。

         表10给出了推荐的加强钢材最小混凝土覆盖层厚度。

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锚泊系统所使用的材料应根据设计目标,环境,耐用性和经济性等因素进行选择。

由于处于易腐蚀环境,防腐是必须的,特别是在平均水位以下部分,M.L.W.L,会出现严重的局部腐蚀。对于这样的部位,一般采用阴极保护法;

对于在L.W.L.下一般采用表层处理方法。表层处理方法包括上漆,加有机材料表层,矿脂表层,无机材料表层等。无机表层处理包括金属涂层,如钛涂层,不锈钢表层,渡锌、铝、铝合金等。水深对腐蚀速度的影响取决于环境。

图11给出了沿水深变化情况对腐蚀速度分布影响的示意图。浪溅处腐蚀是最严重的,根据结构的安装情况可以确定它的上限区。

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图11 钢铁腐蚀速度分布

潮涨潮落区是一个最严峻环境,腐蚀速度随深度变化极大;

在盐水区,环境变得适度一些;但是对于某些情况,如水流和增加海运会加速腐蚀。

对于海底以下的泥土层环境取决于盐的密度、污染程度和气候条件,但相对来说是腐蚀速度变化是平稳的。

注:与固定结构相比,由于浮桥随着水面变化而变化,所以潮涨潮落区区是不存在的。

五、浮桥极限状态

建造的浮桥应该具备足够的能力来面对外界带来的潜在危险,如船舶、残骸、木头、洪水、锚泊索绳失效、桥体横向或斜向折断后完全分离等情况。

       虽然水为浮桥提供了浮力,但如果水漏进浮桥内部会造成浮桥的逐步损毁,最后导致桥的沉没。这是目前浮桥所面临的研究难题。

六、浮桥具体设计和分析

稳性(Stability): 是指船舶受外力作用发生倾斜,当外力消失后能够自行回复到原来平衡位置的能力。 

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三种平衡状态:

1)稳定平衡:G在M之下,倾斜后重力和浮力形成稳性力矩。       

2)不稳定平衡:G在M之上,倾斜后重力和浮力形成倾覆力矩。 

3)随遇平衡:G与M重合,倾斜后重力和浮力作用在同一垂线上,不产生力矩。

稳性大小和船舶航行的关系 :

      1)稳性过大,船舶摇摆剧烈,造成人员不适、航海仪器使用不便、船体结构容易受损、舱内货物容易移位以致危及船舶安全。

      2)稳性过小,船舶抗倾覆能力较差,容易出现较大的倾角,回复缓慢,船舶长时间斜置于水面,航行不力。

      和船一样,浮桥的倾覆与其静态稳定性是相关的。为了研究动力稳定性需研究浮桥的可倾斜范围。如图13所示,给出了外部倾覆力矩与恢复力矩的对比情况。浮桥动力稳定性条件可由以下不等式给出,其中图片关键词

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图13 浮桥动力稳定性:倾斜范围

设计浮桥过程中,需要考虑的最重要的几个物理量: 垂直位移和水平位移和倾斜程度。

无论是平常的一年一遇暴风雪天气条件还是百年一遇的极端暴风雪条件下,通行时的舒适度在设计时需要认真考虑。因此,桥的响应加速度应在可忍受值的范围内。

表12给出了挪威的Bergsoysund浮桥和美国境内浮桥在平常的暴风雪条件下(一年一遇)和在动载荷作用下,平移和转动的加速度容许极限值。

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操纵稳定性:易操纵性是最重要的使用性能之一。表13给出了针对通常暴风雪条件下(一年一遇)的运动限度。

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疲劳方面:要预防动载荷引起结构破坏,如风,水波等。评估方法采用与传统桥相同的方法

地震因素:由于浮桥有较长的固有周期,所以需要研究长周期地震波的影响。尽管浮桥天生基础孤立,但锚泊系统对地震的抵抗能力需要验证,特别是系泊桩和基础。

浮桥桥体设计:浮桥桥体的定义如图8所示。一般浮桥主要考虑分离式浮箱。如前面所解释,每一个浮箱的水动力特性可单独研究,然后将得到的结果用于进行全局系统分析。实际上,在进行全局系统分析时,常采用离散方法,如有限元方法。对于这种分析方法,要考虑每个浮箱的附加质量,水动力阻尼和水动力等因素,还要输入浮箱的浮心位置。

风速和有效波高的设计:根据1991年日本政府运输部港口局的报告,图16给出了浮箱性浮桥设计风速和有效波高的适用范围。可以看出,2.5m的有效波高是浮箱型浮桥的一个关键点。为了保证有效波高在2.5m以下,需要架设挡浪堤。在分析入射水波运动和水下结构受力问题时,粘性效应和势流效应是两个很重要因素。对于势流理论,主要是结构周围的水波散射和辐射效应。

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16浮箱型浮桥的适用范围


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图17质量力,粘性阻力和散射力的对比

图17给出了位于水底竖直放置并穿出自由水面的圆柱体受到水平水波力作用时粘性效应和势流效应所起的作用。

图17看出,水波散射是最重要的。因此,在这个区域,应用水波散射理论分析问题是非常合理的。

事实上,虽然自由表面流体势流理论是基于流体不可压、无旋、无粘等假设,但其预测结果与实验结果存在很好的一致性。这就是为什么基于线性势流理论的水波散射理论常被应用于设计分析原因 。

上部结构设计:主要包括结构类型选择,结构组成设计和防腐等内容。

浮体设计:浮体设计与传统桥的设计相差甚远。浮体设计包括:浮体类型选择,浮体防洪部分设计,防船撞设计,过渡连接段结构设计,防蚀保护,附属设施和锚泊结构设计。

锚泊结构设计:确定锚泊结构的类型、布置分布和数量。在设计时,首先要了解所处环境的各种参数,如风速、水波和水流、地震、温度变化、海啸、湖面震荡(次波动)、长周期水波、锚桩锚泊结构设计、锚链锚泊、张力腿平台等情况以及通过两端箝拉锚泊方法。

基础设计:基础设计通常包括:确定载荷,选择基础类型。

附属设施设计:连接结构的选择及其设计

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